CN101918773A - 高压制冷系统中的卸压 - Google Patents

Abstract

一种CO₂蒸汽压缩系统具有至少一个卸压装置，所述至少一个卸压装置设计成当低压侧压力由于系统在不运转期间暴露于高温下而超出预定界限时打开。在压缩机吸入口旁设置一种卸压装置用于减轻制冷回路的一部分压力，在卸载阀的上游设置另一卸压装置用于减轻上述制冷回路的另一部分压力。

Description

高压制冷系统中的卸压

技术领域

本发明通常涉及运输制冷系统，并且特别地涉及一种用于减轻暴露于高环境温度条件下的CO₂制冷系统中的高压的方法和装置。

背景技术

在运输制冷系统中，例如冷藏卡车，卡车-拖车、或制冷容器，当压缩机运转以对系统中的制冷剂进行压缩时，在系统的排出口(即，高压侧)上可以产生大量压力。蒸汽压缩回路因此被设计用以安全地容纳这些压力。然而，众所周知，可能发生这样的状况，即：压力趋向于超出所认为的安全界限。因此，有必要提供使压力在过量前被减轻的设计结构。

根据一种已制定的协议，在制冷系统的高压侧上提供三级安全性。三级安全性依序地、并且以如下优选方式而得以应用。第一级基于压力传感器读数并在软件中实现。也就是说，当感测到预定压力级时，采取行动以限制制冷剂流动，关闭压缩机或系统，或者暂时地关闭系统并且在压力下降到容差范围内之后重新启动该系统。

第二级通过机械压力开关实现，机械压力开关响应于所感测到的压力以切断系统、或暂时切断系统并且隔一段时间后重新启动系统。

第三级通过机械卸载装置实现，如果压力超过指定压力，机械卸载装置响应性地打开，以至少部分地允许制冷剂释放到大气中去。

最近人们关心的是关于通常使用的制冷剂通过泄漏等方式释放到大气中去所造成的环境影响。解决这个问题的一种方法是通过采用一种更加优良的制冷剂CO₂来替代传统制冷剂，例如氟里昂。然而，使用这种制冷剂必需在充分高的压力下运行，并且因此已专门设计出用于压缩CO₂的压缩机。由于制冷回路中的这些较高压力，甚至更重要的是：连续地检测这些压力，并且当压力过高时，以一种安全的方式减压。出于这种目的，上述三级安全性协议已经被认为是在系统运行时对控制高压侧上的工作压力进行控制方面是令人满意的。

用CO₂作制冷剂，申请人已认识到：除了在运行期间会发生超压现象，在运输和储存期间也可能发生系统压力的超压现象。也就是说，当已经充注的系统在静止状态下暴露在高环境温度条件下时(例如可能在夏季的仓库中、或者系统暴露在正午的直射阳光下)，则压力很可能上升至不期望的水平。在这种情况下，上述三级安全性协议可以有效用于减轻高压侧上的压力，但是，这种情况不同于在这些情况下使用常规制冷剂的系统，CO₂制冷系统同样也容易受到低压侧上的超压情况的影响。

因此，需要一种用于减轻在停机期间暴露在高环境温度条件下的CO₂系统的低压侧上的压力的方法和装置。

发明内容

根据本发明的一个方面，卸压装置设置在CO₂蒸汽压缩系统的低压侧上，从而使得在系统关闭但是暴露于相对较高的温度下的时段期间，在压力达到令人无法接受的高的程度之前，减轻低压侧上的压力。

下文图中描述的是一个实施例，但是，在不脱离本发明的精神和范围情况下，可作出各种变型和替代构造。

附图说明

图1是根据本发明的CO₂蒸汽压缩系统的示意图；

图2是CO₂系统内的压力示意图，该压力是关于环境温度和制冷剂充注量的函数。

具体实施方式

图1中，CO₂制冷剂蒸汽压缩系统10包括：由发动机12驱动的压缩装置11，该发动机12与压缩装置11可操作地相关联；制冷剂散热换热器13；在本文中也称作蒸发器的吸热换热器14，并且全部部件通过不同的制冷剂线路16、17和18在一个闭合的制冷剂回路中以串联式制冷剂流动布置的方式连接起来。此外，制冷剂蒸汽压缩系统10包括：一种过滤器干燥器19和一种闪蒸罐接收器21，它们安置在制冷剂回路的制冷剂管路4上，在相对于制冷剂散热换热器13的制冷剂流的下游、以及在相对于蒸发器14的制冷剂流的上游；一种蒸发器膨胀装置22，其与蒸发器14在操作上相关联、安置在制冷剂管路4上，在相对于闪蒸罐接收器21的制冷剂流的下游、以及在相对于蒸发器14的制冷剂流的上游。

压缩装置11使用来压缩并循环制冷剂通过制冷回路，正如将在下面作的具体描述。如图1所示，压缩装置11可以是一种单个多级压缩机，例如涡旋压缩机或往复式压缩机，该压缩装置11具有至少一种第一低压压缩级11A和一种第二高压压缩级11B，其中在多级压缩机11的压缩机构内将部分压缩的制冷剂从第一压缩级11A传送至第二压缩级11B。然而可以理解，在另一个实施例中，压缩装置11可包括一对压缩机11A和11B，例如以一对往复式压缩机或涡旋压缩机为例，其具有一种制冷剂管路用于将第一压缩机11A的排出端口与第二压缩机11B的吸入端口以制冷剂流体连通的方式而连接起来。在单一的多级压缩机的情况下，两个压缩级都将会由单一的电机12以与压缩机11的压缩机构成驱动关系而可操作地相关联。在由一对压缩机构成的压缩装置11的情况下，每个压缩机将会独立于另一个压缩机由其专用的电机来进行驱动，其专用的电机与其自身的压缩机构呈驱动关系而可操作地相关联。

制冷蒸汽压缩系统10进一步包括一种压缩机卸载回路23，该压缩机卸载回路包括：制冷剂管路24，制冷剂管路24将压缩过程中的中间压力点与相对于蒸发器14的制冷剂流在下游的、和相对于压缩装置11的吸入口26的制冷剂流在上游的一点处的制冷剂回路的制冷剂管路18相互联系起来；以及卸载阀27，该卸载阀27设置在制冷剂管路24上、并且运行以对穿过压缩机卸载回路23的制冷剂管路24中的制冷剂流动加以控制。在图1中所示的制冷蒸汽压缩系统的典型实施例中，其中压缩装置11是一种单个的压缩机，其具有至少一种低压压缩级11A和一种高压压缩级11B，压缩机卸载回路23中的制冷剂管路24接入到位于通向压缩过程中间压力点的位置28处的压缩装置11内，该位置的制冷剂压力比压缩装置11吸入口处的制冷剂压力更高，比压缩装置11排出口29处的制冷剂压力更低，并且该制冷剂管路24在吸气压力时接入到制冷剂管路18内。

CO₂制冷剂蒸汽压缩系统10设计成运行在亚临界循环中。因此，制冷剂散热换热器13设计成作为制冷剂冷凝换热器运行，从压缩装置11中排出的热的高压制冷剂蒸汽经该制冷剂冷凝换热器与冷却介质成热交换关系而通过，用以冷凝从该处经过的从制冷剂蒸汽变为制冷剂的制冷剂。所述制冷剂散热换热器13也在本文中可以称作气体冷却器或冷凝器，其可以包括翅片管式换热器，例如圆翅片管式换热盘管、或平翅片微通道管式换热器。在运输制冷系统应用中，典型的冷却介质是流过冷凝器13的环境空气，其借助于与冷凝器13可操作相关联的风扇31而与制冷剂成热交换关系。

蒸发器14构成制冷剂蒸发热交换器，其一种形式可以是常规的翅片管热交换器，例如翅片圆管热交换盘管、或翅片微通道扁平管热交换器，已经穿过膨胀装置22的经膨胀的制冷剂与加热流体成换热关系地流过该蒸发器，由此则制冷剂被蒸发、并且通常过热。与蒸发器14中的制冷剂成热交换关系流过的加热流体可以是借助于与蒸发器14可操作相关联的风扇32而流过蒸发器14的空气，其被冷却并且通常被除湿，且由此供应到一种可包括易腐烂货品的气候受控环境，所述易腐烂货品例如在与运输制冷系统相关联的储藏区中放置的冷藏或冷冻食品。

在正常运行期间，电机12驱动压缩装置11，以通过第一级11A将CO₂气体压缩至中压，并通过第二级11B将CO₂气体压缩至高压。所述高压在整个高压侧保持在300psi至2250psi(2MPa至15.5MPa)的正常范围中，高压侧包括冷凝器13，过滤器干燥器19和闪蒸罐21，并且终止于膨胀阀处，在膨胀阀22处的压力显著降低。介于膨胀装置22和吸入口26之间是所谓的低压侧，包括蒸发器14和卸载阀27的下游侧。

膨胀装置22通常是一种电子膨胀阀，其响应于在压缩装置11的吸入侧上由传感器(未示出)感测到的制冷剂吸入温度和压力而运行，用于控制穿过制冷剂管路33通往蒸发器14的制冷剂流动。当制冷系统需要较高的质量流量时，旁通阀34被提供用于补充通过膨胀装置22中的制冷剂流量。

卸载阀27可选择性地通过控制器(未示出)来操作，用于控制通过制冷剂管路12中的制冷剂流量。卸载阀27是一种固定流通面积阀，例如，固定孔电磁阀，其选择地响应于在排出口29处感测到的制冷剂排气温度和排气压力进行操作。因此压缩装置11必需须被卸载，从而通过可选择地开闭卸载阀27来控制制冷蒸汽压缩系统11的制冷容量。当卸载阀27打开时，制冷剂蒸汽从压缩过程中间级经压缩机卸载旁通管路24向制冷剂管路18流出，而不是继续向前以在高压压缩级11B进行进一步压缩。流过卸载回路制冷剂管线24的制冷剂蒸汽直接流回压缩装置11的吸入侧，因此旁通过高压压缩级11B、并且由此卸载该压缩装置11。压缩机通过压缩机卸载回路23的卸载可以响应于高的压缩机排出制冷剂温度，或者容量降低或者压缩机功率降低而实现。

在上述运行期间，通常规定要防止在系统的高压侧上发生过压。这通常是利用一种三等级式依次执行的系统实现，该系统首先包括一种软件方法，该软件方法对不正常高的所感测到的压力做出响应从而做出恰当的行动，例如关闭系统。如果由于某些原因无法适当降低高压侧的压力，则高压开关36开始动作以响应性地采取恰当行动，例如关闭系统。如果一直持续高压状态，则通过卸压装置37实现三级安全措施，卸压装置37减轻压缩机排出口29和膨胀阀22之间的高的系统压力。卸压装置通常采用爆破片(rupture discs)或卸压阀的形式，其仅仅允许部分或全部高压制冷剂蒸汽向环境逸散。

应认识到：在压缩装置11运行期间，要采取的三级措施仅涉及到系统的高压侧，这是因为，只要压缩装置处于运行状态，则低压侧保持处于一相对较低的压力(也就是在100psi至1055psi(0.7MPa至7.3MPa)之间的范围中)。

然而，在系统关闭并且暴露于高温条件下的时段期间、而非在运行期间，在系统的低压侧上出现一种问题。这将会通过参考图2而得以更加清楚理解，图中显示的是在闭合的CO₂系统内部的压力(当系统处于不运行状态时对低压侧而言是成立的)随着温度的增加而变得过压。

图2中的数据基于这样的假定即：全部的内部容积是600立方英寸。红线表示环境温度，且黑线表示以磅质量(质量磅)为单位的CO₂充灌量。从而可以看出，例如，在70°F时，对于充灌量在2至8磅质量的范围中的任意情况，所产生的压力保持处于容许的水平内。然而，当环境温度升至150°F时，例如，将当单元置于盛夏的阳光下这是极可能的，则压力水平上升至无法接受的水平。

表I所示充灌量在2至8磅质量，温度在70°F至150°F的压力值的总结。

表I

CO2量(lbm)	70°F环境时的压力(psi)	150°F环境时的压力(psi)
			2	550	700
4	820	1150
			5	850	1350
6	850	1490
			8	850	1710

因此将会看出，当环境温度为70°F时，系统会达到的最大压力是850psi。然而，当环境温度上升至150°F时，压力发生升高，从对于2磅质量而言的700psi升高到对于8磅质量而言的1710psi，从而压力被认为过高。在这点上，由于系统低压侧通常构造为在100psi至1055psi(0.7MPa至7.3MPa)这样相对较低的范围内运行，因此在低压侧上压力最好不要超过1055psi(7.3MPa)。

现在回到图1，来考虑各个部件的运行，特别是卸载阀27和膨胀装置22的运行。

基于可靠性和安全性的考虑，卸载阀27是一种常闭阀，从而当系统关闭时，阀27关闭。同时在关闭期间，第一级11A和第二级11B都不运行并且因此处于它们的关闭位置。结果导致，在第一级11A和第二级11B之间的回路的部分，包括卸载阀27的上游侧，是一个其中捕集有所述CO₂制冷剂的封闭空间，且受到如上根据如图2和表I所述的高压现象。出于说明的目的，这一部分通过图1中的线38而描绘出。

现在考虑膨胀装置22和旁通阀34，当系统关闭时，这两个部件处于关闭状态以防止制冷剂移往蒸发器盘管和压缩机的吸气侧，而要防止的这些现象本来将会影响到系统的稳定性以及降低压缩机的正常寿命。因此，存在另一部段，即，在膨胀装置和吸入口26之间具有一封闭空间，会受到上述的高压现象。出于说明的目的，这一部分通过线39表示。最后，由于一端的排出口29处、以及另一端的膨胀装置22处的关闭状态，它们之间通过线40描述的那一部段，当暴露于高温下时，其也是一种易受高压影响的封闭部分。然而，应当认识到，这就是高压侧，其已经包含了以高压卸载阀37的方式释放高压的措施。因此，不需要对那一部段提供特别的措施。然而，38和39所示部段需要增加通常情况下将会不包含的特征。所以，如图所示，在管路43上设置高压卸载装置41，位于卸载阀27的上游；以及在管路44上设置高压卸载装置42，位于吸入口26的上游。卸载装置41和42可以是爆破片或者压力卸载装置的形式，当暴露在过高温度下时，其将会破裂并且将高压气体释放到大气中去。通过这种方式，高压卸载装置41将用于降低回路部段38中的任何过压压力，且该高压卸载装置42将用于降低可存在于回路部段39中的任何过压压力。例如，卸载装置41和42可设计打开的合适的压力水平，将会是在1300psi至2500psi(9MPa至17.2MPa)之间的。

除了高压卸载装置42，回路39所示的部段将也会优选地包括设置在卸载装置42之前的高压开关46，从而使得，在卸载装置42打开之前先打开高压开关46。

尽管本发明已特别地参考如附图所示的实施例而得以被示出和描述，但本领域技术人员将会理解，在不背离由权利要求书所限定的精神和范围的情况下，可以进行各种细节上的变形。

Claims (19)

1.一种蒸汽压缩系统，包括：

制冷剂回路，其具有呈串行流动关系的以下部件：用于对作为制冷剂的CO₂蒸汽进行压缩的至少一个压缩机、一种散热换热器、一种膨胀装置和一种吸热换热器；

压缩机卸载回路，其以流体方式相互连接所述至少一个压缩机的中间级到介于所述吸热换热器和所述至少一个压缩机的吸入口之间的低压点，所述卸载回路包括一种卸载阀；以及

至少一个压力卸载装置，安置在所述制冷剂回路的低压侧上，用于在系统不运行但是暴露在较高温条件下的时段期间释放所述低压侧的压力。

2.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，其中所述至少一个压缩机包括两级。

3.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，其中所述至少一个压缩机包括两个串联连接的压缩机。

4.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，其中所述至少一个压力卸载装置安置在所述卸载阀与所述中间级之间。

5.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，其中所述至少一个压力卸载装置安置在所述吸入口附近。

6.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，其中所述至少一个压力卸载装置包括一种爆破片。

7.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，其中所述至少一个压力卸载装置包括一种卸压阀。

8.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，包括一种设置在所述制冷剂回路的所述低压侧上的高压开关，所述高压开关设计成当压力比在所述至少一个压力卸载装置适于释放压力情况下的压力更低时打开。

9.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，其中所述卸载阀包括一种常闭阀。

10.一种当CO₂蒸汽压缩系统于关闭期间暴露在高温环境条件下时防止在CO₂蒸汽压缩系统系统中产生不期望的高压的方法，包括如下步骤：

在所述蒸汽压缩系统的低压侧上设置至少一个压力卸载装置，所述至少一个压力卸载装置适于在所述低压侧的压力达到预定程度时打开。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述蒸汽压缩系统包括至少一个压缩机和一种卸载回路，所述卸载回路以流体方式相互连接所述至少一个压缩机的中间级到介于吸热换热器与所述至少一个压缩机的吸入口之间的低压点，所述卸载回路包括一种卸载阀。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个压缩机包括两级。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个压缩机包括两个串联连接的压缩机。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个压力卸载装置安置在所述卸载阀与所述中间级之间。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个压力卸载装置安装在所述吸入口附近。

16.如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个压力卸载装置包括一种爆破片。

17.如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个压力卸载装置包括一种卸压阀。

18.如权利要求10所述的方法，包括进一步的步骤：在所述制冷剂回路的所述低压侧上安装一种高压开关，所述高压开关适于在压力比所述至少一个压力卸载装置适于释放压力情况下的压力更低时打开。

19.如权利要求11所述的方法，其中所述卸载阀包括一种常闭阀。

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